基于高分辨率嵌套模型的南海风、浪特征研究

张俊明，张 涛，杜 洋，常 江，肖 辉

(1.中海油海南能源有限公司，海口 570105；2.交通运输部天津水运工程科学研究所 工程泥沙交通行业 重点实验室，天津 300456)

我国南海是贸易运输、资源开发等重要区域，对南海风、浪条件的了解和把握也十分必要和迫切。目前国内外学者就南海地区风、浪特征做了大量研究，包括卫星观测、现场实测、数值再分析以及数值模型计算等多种资料。Wu等[1]利用美国国家环境预报中心(NCEP)的再分析风应力资料分析了1992～1995年间南海气旋的季节和年际变化特征。Hwang和Chen[2]利用ERS-1/2卫星观测的5 a海面风应力资料研究了南海风场从季节到年际的变化特征。裘沙怡等[3]通过QuikSCAT卫星观测的10 a风及16 a波浪资料分析了整个南海区域风、浪特性及变化特性。林刚[4]使用CCMP风场资料分析了南中国海海域的风特征，并将其用于WAVEWATCH III模式计算了南海1988年8月～2011年7月的波浪场。俞慕耕[5]利用1958～1972年间海上船舶观测气象资料，分析了南海海域波高、周期、波向等要素特性。周良明[6]等以30 a再分析风场数据为驱动，使用WAVEWATCH III模式，对1976～2005年的南海海域波浪场进行了计算和分析。郑崇伟和李训强[7]利用WAVEWATCH III模式，以QuickSCAT/NECP混合风场为驱动场，计算了南海1999～2008共10 a的海浪场，对其波浪特征进行了分析。宗芳伊和吴克俭[8]使用WRF模式生成的再分析风场及SWAN海浪模型，计算了南海海域1986年1月～2005年12月的高分辨率波浪场。尹洪强[9]统计了总计65 a的热带风暴，进行南海台风浪模拟，推算了不同重现期波要素。张泽方[10]、沈旭伟[11-12]和金罗斌[13]等都对南海台风浪的计算进行了研究。此外还有学者对南海海域的波浪进行了多方面的研究[14-18]。

综上，学者们使用多种数据和手段对南海整体的风、浪时空分布特性进行了研究，并通过数值计算的方法一定程度上提升了风、浪数据获取精度。本文针对南海海域，使用NCEP历史再分析风场资料作为中尺度大气模式WRF输入的背景风场数据，通过WRF计算得到高精度风场，其中南海海域频发的台风和热带气旋场采用ARW模块计算。其次使用风场作为驱动，通过WAVEWATCH III波浪模型和SWAN波浪模型嵌套方式计算得到南海海域高精度波浪场，WAVEWATCH III采用矩形网格，SWAN模型中采用非结构化三角网格计算得到的风场和波浪场用实测和卫星观测资料进行验证，最后对南海海域风场和波浪场特性进行分析研究。

1 风浪数值计算方法

图1 风场和波浪场数学模型计算流程图Fig.1 Flow diagram of mathematical models for calculation of wind and wave fields

本文所采用的数学模型包括中尺度大气模式WRF及WAVEWATCH III和SWAN波浪模型。WRF作为整个中国海海域高精度风场的计算模型，WAVEWATCH III作为中国海大范围海域的波浪场计算模型，SWAN波浪模型用于计算南海海域波浪场。具体计算流程如图1所示。

1.1 WRF气象模式

本项目基于美国最新的中尺度区域模式WRF V4.0建立海面再分析风场计算的数值模型，物理过程包括YSU边界层方案，Betts_Miller_Janjic积云对流方案，NCEP(National Centers for Environmental Prediction)3类简单云微物理过程，RRTM(Rapid Radiative Transfer Model)长波辐射方案，Dudhia短波辐射方案，热力混合近地面层方案。该模式主要特色包括完全可压缩静力平衡方程(带有静力平衡选项)，包括4种类型地图投影(即极射赤面投影、兰勃特投影、墨卡托投影和经纬度投影)，适合于区域和全球尺度，具有单向、双向和移动嵌套能力，垂直方向采用地形跟随坐标且垂直格距随高度可变，水平离散采用Arakawa C网格，时间积分采取三阶龙格—库塔(Runge-Kutta)时间积分方案。此外，该模块中还包括了完整的物理过程选项，包括21种微物理过程方案、11种积云对流方案、7种辐射方案、12种行星边界层方案、7种陆面过程方案。运用WRF中的ARW模块，选用合适边界层方案和积云对流参数化方案，可实现台风或气旋的准确模拟。

风场模拟计算的同化系统采用与WRF配套的WRF-DA同化系统，该同化系统通过更好的初始条件和误差分析，经迭代函数计算，对WRF模式预报结果进行了改进。

1.2 WAVEWATCH III波浪模式

WAVEWATCH III是由美国NOAA/NCEP环境模拟中心海洋模拟小组(OCEAN MODELING BRANCH)开发的一个全谱空间的第三代海浪模式。该模式在WAM模式的基础上对控制方程、程序结构、数值和物理的处理方法等做了改进，使得该模式不仅在考虑波流相互作用和风浪物理机制方面更加合理，而且可采用并行计算。

1.3 SWAN波浪计算模式

SWAN (Simulating Waves Nearshore)是由荷兰Delft技术大学(Delft University of Technology)研制开发的第三代近岸浅水海浪数值计算模式，采用基于能量守恒原理的平衡方程，除了考虑第三代海浪模式共有的特点，它还充分考虑了模式在浅水模拟的各种需要。首先SWAN模式选用了全隐式的有限差分格式，无条件稳定，使计算空间网格和时间步长上不会受到牵制；其次在平衡方程的各源项中，除了风输入、四波相互作用、破碎和摩擦项等，还考虑了深度破碎(Depth-induced wave breaking)的作用和三波相互作用。

2 数值计算范围

(1)风场计算范围。

模型中风场的计算范围为0°N, 101°E ～44°N, 135°E，水平分辨率为0.1°。

(2)大范围波浪场计算。

在大范围的波浪场计算时，考虑到SWAN模型在计算大范围波浪场时耗散较大以及计算效率，本文使用WAVEWATCH III模式，其计算范围与风场范围一致，分辨率为0.1°×0.1°。时间跨度为1990年1月1日0时～2019年12月31日21时，时间分辨率3 h，边界条件由全球波浪模型提供，计算结果可以为南海海域波浪计算提供边界条件。

(3)南海波浪场计算。

南海海域波浪场计算时，本文使用SWAN模型进行计算，该计算模型与WAVEWATCH III模式嵌套，计算范围为2.7°N, 103.5°E ～25.1°N, 123.1°E，时间跨度与大范围波浪场相同，时间分辨率为1 h。计算采用非结构化三角形网格，在局部加密，最小网格尺寸为0.002°。

3 数值计算验证

3.1 实测资料检验

本文选取2014年7月期间途经南海201409号“威马逊”超强台风数据来检验WRF模型模拟本次台风场计算的准确性，实测数据来源于2014～2015年期间位于广东茂名粤西LNG码头项目气象站测量的风和波浪资料。经WRF模型计算得到的风速、波要素与实测资料对比见图2，从结果对比来看，计算结果均与实测值较为吻合，说明本文采用的模型计算方法合理可信。

图2 计算风速和波高与实测结果对比Fig.2 Comparison between calculated results of wind speed and wave height and the measured results

3.2 卫星资料检验

除与海面实测资料对比外，同时利用卫星观测数据进行计算结果验证。2015年10月“彩虹”台风途径期间，JASON-2卫星经过南海海域上空，对该海域风和波浪进行了观测，利用PASS：51的数据进行对比，对比结果见图3，图中横坐标为卫星观测点标号。由对比曲线可以看出，模型计算结果与卫星观测结果吻合很好。

图3 计算风速和波高与卫星资料对比Fig.3 Comparison between calculated wind speed and wave height and the satellite data

4 风、浪特征分析

本文利用计算得到的南海海域30 a(1991～2020)逐时风、浪场结果，对整个南海海域的风、浪特征进行分析，包括其多年平均风速和波高、周期的分布特征，以及整个南海在不同月份的分布变化情况。在南海选取一个特征点，根据特征点处30 a的风和波浪数据，对特征点的风和波浪要素特性进行统计分析，并利用P-III型曲线拟合推算其不同重现期的风速和波高。

4.1 风场特性

图4 特征点风玫瑰图Fig.4 Wind rose at monitoring station

4.1.1 年平均风速

根据WRF模式计算得到的南海平均风速分布情况，整个南海西北区域有一个大风速区，在这个风速区上有几处风速较大的位置，主要集中在台湾海峡、巴士海峡、菲北海峡等，最大平均风速可达8.5m/s以上。南海南部多年平均风速在7.5 m/s以下，北部湾风速约为6.5 m/s。从特征点的风玫瑰图(见图4)可以看出风向以东北向和西南向风为主。

4.1.2 风场随月份变化

整个南海风场受不同季节季风影响，在不同的月份平均风速大小及分布特性存在较大区别。冬季南海主要受东北季风影响，风速相对较大，整个南海全年最大平均风速出现在12月份，大风速区域集中在台湾海峡、巴士海峡和菲北海峡及附近海域，平均风速可达11.5 m/s以上；夏季主要呈现西南季风特性，7月和8月期间受台风和热带气旋等影响，风速也相对较大，7月份风速最大，大风速区域集中在南海中南部海域，最大平均风速超过10.5 m/s；其他月份为季风转换过渡时期，风速相对较小，全年风速最小时期为5月份，此时北部湾有相对较大的风速，最大平均风速超过6.5 m/s。

表1 特征点重现期风速Tab.1 Recurrence wind speed at monitoring station m/s

4.1.3 特征点重现期风速

根据特征点位各向30 a每年风速极值，采用P-III型极值分布进行重现期风速分析，图5为东北向和西南向风速P-III型极值分布曲线图。通过分析得到该点处各方向重现期风速(见表1)，其中100 a一遇极值风速为48.6 m/s，为东北向。特征点所在位置东北和西南向海域更为开阔，风速较大，其他方向受到中尺度地形影响，风速相对较小。

4.2 波浪场特性

4.2.1 年平均有效波高和周期

根据WAVEWATCH III模式和SWAN模型嵌套计算得到的南海30 a高分辨率波浪场，将计算得到的30 a逐时有效波高和平均周期进行统计分析，得到平均有效波高和周期的分布，南海自南向北平均有效波高和平均周期均逐渐增大，波高变化幅度较大，周期变化较小。

巴士海峡、菲北海峡及其西侧海域和越南东南海域平均有效波高较大，可达1.8 m以上，巴士海峡、菲北海峡平均周期超过7 s，越南东南海域平均周期大于6 s。北部湾海域和南海南部海域的波高和周期都较小，平均有效波高在1.5 m以下，北部湾海域波浪平均周期约为4.5 s，南海南部海域平均周期多在6.0 s以下。

图6 征点波浪玫瑰图Fig.6 Wave rose of wave height at monitoring station

特征点处的波浪玫瑰图如图6所示，波浪以东北向浪为主，其次为西南向、北向和西向，由于该位置东北侧和北侧海域较为宽阔，受到东北季风的影响较大，大浪主要出现在东北向和北向。

4.2.2 波浪场随月份变化

南海海域的波浪在不同月份的分布和特性与风场类似，表现出明显的季节性变化。11月至次年2月期间，东北季风影响下，南海海域的平均有效波高和周期相对较大，月平均有效波高和周期最大在12月，平均有效波高可达3 m以上，平均周期超过7.5 s，大波浪集中在巴士海峡、菲北海峡群及其西侧海域、越南东南海域和南海中部海域。7月和8月期间受台风和热带气旋等影响，平均有效波高和周期也相对较大，最大值同样在7月份，月平均有效波高能够达到2.1 m，月平均周期超过7 s。与风场变化趋势相似，在季风转换期间波高和周期较小，最小值同样发生在5月份，月平均有效波高最大约为0.9 m，平均周期最大值约为6.5 s，此时大波浪集中在南海北部海域。

表2 特征点重现期波高Tab.2 Recurrence significant wave height at monitoring station m

4.2.3 特征点重现期波浪

根据特征点位各向30 a每年波高极值，采用P-III型极值分布进行重现期波要素分析，图7为东北向和北向波高P-III型极值分布曲线图。通过分析得到该点处各方向重现期波高如表2所示，其中100 a一遇极值波高为11.6 m，为东北向。特征点位置东北、北侧和西南海域较为开阔，偏北侧受到较大的东北季风影响，在东北和北向形成较大的波浪。

5 结论

本文使用中尺度大气模式WRF及其ARW模块，基于1991～2020年持续30 a NCEP历史再分析风场，计算得到了大范围内的高分辨率风场。使用WAVEWATCH III和SWAN波浪模型，采用WRF计算风场为驱动场，建立最小网格尺寸为0.002°的南海海域风、浪要素多尺度高精度嵌套模型，通过计算得到整个南海波浪场。将计算结果与实测和卫星资料进行对比，验证数值计算得到的南海风、浪资料的准确性。最后，对南海海域风、浪空间和时间分布特性和特征点风、浪特性进行了分析，并推算了特征点处不同重现期的风、浪要素极值。主要结论有：

南海西北海域存在一个大风速区，最大风速集中在台湾海峡、巴士海峡、菲北海峡和越南东南海域，年平均风速可达8.5 m/s。南海因受到季风影响，不同月份平均风速和分布差别较大：东北季风作用下最大风速发生在12月份，大风速区域集中于南海北部，最小风速发生在5月份，此时北部湾风速较大，在台风和热带气旋作用下，7月份为夏季风速最大时期，大风速区域位于越南东南海域和南海中南部海域。

南海海域的大浪区域位于巴士海峡和菲北海峡群及西部海域和越南东南海域，平均有效波高超过1.8 m，巴士海峡和菲北海峡群及西部海域周期超过7.0 s。除夏季台风频发季节外，南海海域的平均有效波高和平均周期从北向南逐渐减小，在夏季，南海中部有着相对较大的波高和周期。在东北季风和台风频繁时期，最大波高月份与最大风速月份相同，为12月和7月，平均有效波高最大超过3 m，平均周期可达7.5 s。5月份也为全年南海波高最小的时期，最大波高仅有0.9 m。